智能检测系统 热电偶数字温度表要点Word文档格式.docx

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两种不同材料的导体A和B，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为T（设TT0），这时在这个回路中将产生一个与温度T，T0以及导体材料性质有关的电势EAB（T，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。

在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述热电交换元件称为热电偶，称A，B导体为热电极。

两个接点，一个为热端（T），又称工作端，另一个为冷端（T0），又称为自由端或参考端。

热电势EAB（T，T0）的产生，是由两种效应引起的：

（1）、珀尔帖（Peltier）效应：

将同温度的两种不同的金属相互接触，如图2-2所示。

由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象。

自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A使去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止，两种不同金属的接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。

此电势EAB（T）由两个金属的特性和接触点处的温度所决定。

根据电子理论：

或：

式中：

K：

波尔兹曼常数，其值为1.38×

1023J/K；

T﹑T0:

接触处的绝对温度（Ｋ）；

ｅ：

电子电荷量，等于1.6×

10-19C；

、

分别为电极A、B的自由电子密度。

由于

与

的方向相反，故回路的接触电势为：

（2）、汤姆逊（Thomson）效应：

假设在一匀质棒状导体的一端加热如图2-3所示,则沿此棒状导体有温度梯度。

导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低的一端积聚起来，使棒内建立起一电场，当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。

当匀质导体两端的温度分别是T、T0时，温差电势为：

或：

式中

称为汤姆逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。

的大小与材料性质和导体两端的平均温度有关。

是金属本身所具有的热电能。

它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。

例如：

铜和康铜的热电能在0100℃温度范围内的平均值分别为7.6μV/℃和-3.5μV/℃。

图2-4总热电势

通常规定：

当电流方向与导体温度降低的方向一致时，则为正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则取负值。

对于导体A、B组成的热电偶回路，当接触点温度T﹥T0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即：

上式表明，热电偶回路的温差电势只与热电极材料A、B和两接点的温度T﹑T0有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。

如果两接点温度相同，则温差电势为零。

综上所述，热电极A、B组成的热电偶回路，当接点温度T﹥T0时，其总热电势为（如图2-4）

式中：

EAB（T）：

热端的分热电势；

EAB（T0）：

冷端的分热电势。

从上面的讨论可知：

当两接点的温度相同时，则无汤姆逊电势，即：

；

而珀尔帖电势大小相等方向相反，所以

。

当两种相同金属组成热电偶时，两接点温度虽不同，但二个汤姆逊电势大小相等、方向相反，而两接点处的珀尔帖电势皆为零，所以回路总电势仍为零。

因此：

（1）如果热电偶二个电极的材料相同，二个接点温度虽不同，不会产生电势；

（2）如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势；

（3）当热电偶二个电极的材料不同，且A、B固定后，热电势

便为二接点温度T和T0的函数，即

当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势

便为热电偶热端温度T的函数：

由此可知，

和T有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。

热电偶的分度表就是根据这个原理在热电偶冷端温度等于0℃的条件下测得的。

热电极的极性：

测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。

在热电势符号

，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写在后面的B、To分别为负极和低温。

如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如

，

等。

判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。

3、放大器

热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。

因此选用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01V/C和3.33nV/d。

也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作为放大器。

ICL7650的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料如下面所示：

Cextb：

外接电容1

Cexta：

外接电容2

-Input：

反向输入端

+Input：

同向输入端

V-：

负电源端

Cretn：

外接电容的公共端

Output：

输出端

V+：

正电源端

Int/clk：

时钟输出端

Ext/clk：

时钟输入

图4-1ICL7650

为了更好的抑制共模输入，在运放的输入方式上选择同向输入，放大倍数是这样考虑的，K型热电偶的测温范围定在0到1299℃，E型热电偶的测温范围定在0到799℃，然后将微弱的毫伏电压放大到0到1伏的范围，用于后面的A/D转换环节。

那么运放的放大倍数如下：

A=1+R2/R1

选用镍铬—镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为0～1299℃，满度1299℃时的热电势值为51.612mV，前置放大器的放大倍数A应为

A1=A-1=1000/51.612-1=18.4

若选用镍铬—铜镍（分度号为E）的热电偶，要求测量范围为0～799℃，满度799℃时的热电势值为59.825mV，放大器的放大倍数A1应为

A1=A-1=1000/59.825-1=15.7

本数字仪表选用两种型号的热电偶测温，则可通过切换开关改变放大器的放大倍数，使之满度时的放大器输出为1V。

4、A/D转换器

考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的A/D变换器，所以采用3.5位的双积分型的A/D转换器MC14433。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3.5位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

（1）精度：

读数的±

0.05%±

1字

（2）模拟电压输入量程：

1.999V和199.9mV两档

（3）转换速率：

2-25次/S

（4）输入阻抗：

大于1000MΩ

（5）电源电压：

±

4.8V～±

8V

（6）功耗：

8mW（±

5V电源电压时，典型值）

（7）采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

（8）MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

图4-2MC14433

Pin1（VAG）—模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。

Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。

MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。

此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。

Pin3（Vx）—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：

输出读数＝Vx/VR*1999因此，满量程的Vx=VR。

当满量程选为1.999V。

VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取。

Pin4-Pin6（R1/C1，C1）—外接积分元件端,次三个引脚外接积分电阻和电容，积分

电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在

2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ。

Pin7-Pin8（C01C02）—外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄模电容。

Pin9（DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。

如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。

否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。

这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。

Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）—时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。

Pin12（Vee）—负电源端Vee，是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。

Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚。

Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。

除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。

Pin14（EOC）—转换周期结束标志位。

每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。

Pin15（OR）—过量程标志位，当|Vx|>

VREF时，OR输出为低电平。

Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端。

DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。

当某一位信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。

Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端。

该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。

同时在DS1期间输出的千位BCD码，还包含过量程、欠量程和极性标志信息。

Pin24（VDD）—正电源电压端。

MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

至此，已经将温度信号放大并转换成数字信号。

5、锁存器

MC14433A/D转换结果采用BCD码动态扫描输出，因此每位数字要增加一个四位的锁存器74LS373，把经过多路组合的数据分离出来，并寄存在相应的锁存器内，由MC14433的多路调制选通脉冲DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD码三位数据的输出，经个位，十位和百位锁存器锁存，输出个，十，百三位BCD码，在下一步中，以这十二位BCD码作为EEPROM的地址线，对其进行寻址。

在最初设计中，EEPROM的寻址应该使用二进制码进行，但是由于BCD码到二进制码的转换芯片已经停产，所以直接用BCD码做为EEPROM的地址线，所以，就要在相应的存储单元存储相应的温度值。

控制线转换的频率是由A/D转换芯片的频率决定的，通过选定外围电路的电阻值来控制频率的高低，在地址锁存的时候本应该在控制信号到来时传输数据的，由于我将A/D转换的频率设置在70赫兹，这样在后续电路显示的时候，人眼是分辨不出来的。

6、EEPROM线性化器

A／D转换器的输出作为地址码访问EEPROM时，EEPROM存放的表格内容将被取出，送入显示器以显示被测的温度。

表格的编制方法如下：

首先根据热电偶的E～t特性曲线，在E坐标上进行有限等分。

K型的镍铬—镍硅热电偶用于测量0～1299℃。

设量化单位为q。

E～t的量化曲线如图所示。

这种线性化的精度取决于划分的程度，划分得越细，越多，则精度越高，不过还取决于实际电路所能达到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D转换的分辨率越高，就可以分的越高，这样也就跟热电偶分度表的真实性越接近。

线性化的结果是在一定程度上模拟热电偶的分度表曲线，但不是完全符合，而是允许在一定的误差范围之内。

这样做，可以在不搭建复杂模拟电路系统的情况下，实现对热电偶的非线性特性补偿。

此种做法的不足之处是，在计算新的分度表时，过程较繁琐，但相对于复杂的模拟电路来说，还是有很大改进的。

显然，A／D转换器的量化误差是与量化单位q、输入函数x（t）有关。

以K分度号热电偶表格编制方法为例加以说明，温度测量范围0至1299℃，1299℃时的热电势查表为51.612mV。

0～1299℃内平均热电势为0.0516mV／℃，即量化单位q＝0.0516mV。

当温度为0℃时，热电势为0.000mV，A／D转换器输出地址（16进制，下同）为0000，EEPROM内写入000.0数。

经过这种线性化的补偿方法，可以把热电偶的温度特性曲线进行拟合，拟合的结果如图4-4所示：

K型热电偶的温度特性曲线是非线性的，为了在数字转换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行补偿，从它的温度特性曲线可以看出，采用通常的折线法或是最小二乘法都可以，不过就加大了计算的复杂程度，而且在后续的A/D转换时就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整个设计的经济成本，为此，采用了这种借助线性化辅助曲线的方法，详述如下：

首先将K型热电偶在1299℃时其转换电压是51.612mv，将其分成一千份，其最小分度就是q＝0.0561mv，分得越小其精度越高，不过要受后续器件的精度影响。

其次，在热电偶的温度特性表上每隔10℃找一个参考点，它的作用在于使线性化补偿之后的拟合曲线始终在原温度曲线附近，不会偏差太多，也可以选择20℃，或更高，参考点相距越近，测量精度就越高。

最后，在测量的时候，将实际测量的转换电压与特性表中的参考点比较，这里以向下寻找为标准，找到一个和实际电压最接近的一个参考点，这时，就以改参考点为基准温度值，然后计算出二者的电压差，在将该电压差除以最小分度q，得出一个在10℃之内的温度值，最终显示温度为：

最终显示温度＝参考点基准温度＋附加温度值

按照这种方法制作EPPROM内的温度表格，这样把主要的精力用在寻找非线性补偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到存储器中即可，而且这种利用线性化辅助曲线进行非线性补偿的方法，计算简单，易行，精度高（根据参考点和最小分度值的选取），分辨率高，不仅适用于温度补偿系统还可以在近似的情况中应用。

只要后续转化器件的精度高，就允许将参考点选取的更近，将最小分度值选取的更小。

测量结果就更接近实际温度值。

7、LED

从EEPROM线性化器读出的数分别送到四个七段码的译码器之中，从里面送出的数码是BCD码，然后把BCD数码通过4511转换为七段码，若采用的是共阴极的数码管，可以直接把4511的输出接到数码管的限流电阻上，然后接到七段码上，但通常使用的是共阳极的数码管，这时就需要把4511输出的七段码经过非门74HC04做一下反向，然后再通过限流电阻接到七段码上，限流电阻一般可以根据具体情况来选择，这里选择240欧姆的阻值。

在此采用的是静态显示方法，没有采用动态显示,所以将所有的数码管的选通管脚都接到高电平，虽然比较耗费电源，但是没有加入动态显示部分，节省了一部分成本。

四、实验内容

一．按所设计的电路图在面包板上连接线路。

1、合理布局，恰当的规划每个芯片在面包板上的位置。

2、注意电源线（主要有＋5v和－5v和一个＋2v）和地线在面包板上的分配，充分利用好面包板上的横条和竖条。

3、注意导线长度和颜色的选择，以便以后检查时方便。

4、耐心并且细心的插线。

二．连线结束后进行基本调试。

1、用稳压电源调出＋5v，－5v，＋2v和地，把电源接入电路。

注意一定不要把＋5v和－5v接反了。

2、接入电源后可以先接入热电偶，看看是否能一次性通过。

如果LED有稳定的显示，通过调节放大器ICL7650的反馈电阻（电位器），来使温度显示和实验台所示温度一致，然后再通过降低或升高实验台温度，检验温度计是否也随之变化。

若变化，基本成功。

3、如果第2步没有通过，即没有一次性成功。

可尝试如下调试。

（1）用万用表测量面包板上的电源线路是否供电正常，有没有非正常的断点，可以先从驱动电路的电源线（即＋5v，－5v和地线）查起。

发现断点，即用导线自行连接好。

（2），用万用表测量ICL7650是否有输出，即看该芯片是否工作正常――起了放大作用。

如果工作不正常，可尝试替换该芯片。

（3）用万用表测量AD转换芯片（mc14433p）的相应输入输出拐脚是否有电压，即检测该芯片是否正常工作。

（4）同样的方法，分别用万用表检测其他的芯片是否正常工作。

（5）若各个芯片正常工作，而显示很不稳定。

可以检查是不是稳压电源没有接好，EEPROM芯片是否是坏的

五、实验结果

改变热电偶热端温度变化如图所示：

六、实验总结

本实验是把所学电路知识和检测仪表理论用于实际的例子。

实验原理是：

用线性化辅助曲线进行非线性补偿。

用查询固化在EEPROM里的校正值的非线性补偿方法，提供了一种新的非线性补偿用的电路设计途径。

这种校正方法的最大特点是对测温传感器的全量程实现线性化校正，因而具有较高的校正精确度。

被测变量与传感器输出电压之间没有确定的关系式，而只能利用实测数据，此时，这种查表法就更显示其优越性。

EEPROM校正方法不仅适合于热电偶、热电阻等测温传感器的非线性补偿，也适用于其他方面的非线性补偿。

该法不仅实现了全量程的非线性补偿，而且标度变换也通过查表一起完成，故简化了电路设计。

这种测试温度的方法，采用的是数字式补偿，不用加冷端补偿器，只需根据冷端环境的温度，构造不同冷端温度下的热电偶分度表，在不同的温度下选择不同的分度表。

在实验室内非常适用。

实验中发现的问题：

1、仔细对照电路图连线，避免出现错接短接等现象，善用万用表测量各点间电压，查找错误。

2、烧制芯片程序时，注意摆放是否正确

3、放大器环节必须得选择合适的电阻，保证两个电阻之比为10：

1左右。

4、在使用工作台上的电压源前，应先用万用表测量电压源的电压是否准确，保证输入电压准确性。